雷达吸波复合材料的发展现状分析和制备方法

隐身复合材料的发展现状分析和制备方法摘要：本文介绍了隐身复合材料的产生背景、发展现状和应用前景。分析了雷达隐身复合材料发展的必然性及其在隐身技术中的重要地位，较详细介绍了材料的隐身原理，以及当前涂敷型结构型隐身复合材料的组成、结构和特性。通过材料体系配方设计、结构设计.探讨了不同吸收剂、不同结构形式对材料样板性能的影响.最终优化结果表明，特定浓度的某种吸收剂通过一定方式加入材料体系内部后.所成型的复合材料样板吸波性能良好，其力学性能满足通用工程材料的使用要求。说明了发展隐身复合材料的重要意义。关键词:隐身；复合材料；雷达吸波材料；吸收剂0前言当今的战争是技术的战争，是电子的战争，像以前那样短兵相接、拼刺刀的时代应经过去了。基于复合材料优良的综合性能，在现代隐身武器中隐身复合材料得到了广泛的应用，并使隐身武器的性能大大提高。在实战中，雷达以及红外探测器应用比例最大。雷达、红外探测器住海、陆、空战都有应用，声纳及磁异常探测器主要用于海战。因此隐身技术的最主要研究对象是针对雷达波及红外辐射的隐身技术，而雷达隐身材料是最早采用的隐身技术。它能够使入射的雷达波发生衰减，吸收并转变成其他能量形式的材料，即雷达波吸收材料（RAM：radarabsorbingmaterials）[1]。隐身复合材料与先期发展的雷达吸波涂层相比，除了其具有吸波与承载双重功能外，还有其他明显特点。例如，不增加飞行器额外重量，有利于拓宽吸波频带等，因而它有逐步取代吸波涂层的趋势。吸波复合材料正经历由玻璃纤维增强到碳纤维及其混杂纤维增强、由热固性树脂到热塑性树脂、由次承力件到主承力件的发展过程。随着先进复合材料在飞行器上应用的扩大，采用隐身复合材料已成为新一代军用飞行器材料革命的重要方向。例如，在F--117、,B-2、F-22隐身飞机上复合材料用量分别为10%、50%,70%。可以说，隐身复合材料的发展在很大程度上影响着雷达吸波材料乃至整个隐身技术的未来[2]。1国内外发展现状隐身复合材料是融合了隐身性能、结构承载、抗弹等多种功能于一身的先进复合材料，能够有效降低武器装备的被发现概率，降低车辆的总重，提高车辆的机动性，提高其生存能力。国内隐身复合材料技术主要应用于军事装备。国内开展吸波材料研究已有10余年历史，在材料研制与应用方面取得了一定进展。其中，对以玻璃纤维增强树脂基复合材料为基础的结构RAM进行了较深入研究，对这类材料的微观吸机制以及宏观电磁性能(r~r~P等)之间的关系、材料的CAD方法有一定的研究。另外，对夹层结构型吸波材料进行了大量基础性研究，对影响夹层结构吸波特性的一系列因素进行了研究，并进行了规律性总结。一种多层蜂窝夹层结构吸波材料比较常见。近年来对碳纤维及其混杂纤维增强复合材料的微波电磁性能进行了探索研究，研究了纤维本身的微波电磁特性、纤维编织方式、材料成型工艺等对复合材料反射性能的影响，得到了一些基本规律。在近10年的隐身复合材料研制中，也开展了一些吸波结构典型件的研制，并取得了一些应用成果，对推动隐身复合材料的发展具有重要意义[3]。目前国内外主要进展表现在几方面：1.热塑性混杂纱吸波复合材料研制并用于机(弹)翼、蒙皮及耐高温部位。2.运用CAD方法，采用自动铺层、数控缠绕、多维编织等新技术制造多层(夹层)结构隐身材料。3.陶瓷结构吸波材料得到开发，其中以SiC纤维吸波材料发展最快。4.碳一碳吸波材料的发展并已用于远程导弹、火箭喷管及头锥等部位[2]。国外飞行器、导弹、舰船用结构隐身复合材料己进入应用阶段.美国的F-117、B-2都大量采用了碳纤维、碳/芳纶或碳/玻璃纤维混杂作为增强材料的结构吸波材料；法国“幻影”系列战斗机、俄罗斯米格一29部分采用碳纤维结构吸波复合材料;法国“拉斐特”护卫舰、瑞典的“斯米盖”、美国的“阿利·伯克”级宙斯盾驱逐舰、英国的“海魂”号都采用了各种类型的隐身复合材料。陆军装备用隐身复合材料技术，典型的为美国的M113和X12布雷德利的车体，M1A1的负重轮等。20世纪90年代中期，美国陆军研制出复合材料装甲车辆先进技术演示车，上下车身采用相同的工序把降低信号特征的材料与其它结构合为一体，可防雷达、热成像仪的侦察。1997年，英国的GKN防御公司展示了一种履带式隐身技术演示侦察样车，吸波材料被包含在装甲结构内，隐身性能超过布雷得利战车。英国的“武士2000”步兵战车、美国的Abrams和俄罗斯的T-95均采用了外形融合的隐身结构，以降低雷达特征信号。陆军装备用结构隐身复合材料更多地处于实验和演示验证阶段。美国“未来作战系统”武器发展和实验项目的批准，意味着隐身复合材料将被大量应用于陆军武器装备，以实现其高机动性、全隐身、小尺寸、超信息控制能力的集合。而隐身复合材料本身将在具备隐身、结构、承载等性能的基础上，能够自我感应、自我调节、适时适地自我调控，向功能集成化、智能化方向发展。利用复合材料设计自由的特点，结构隐身复合材料将与外形设计完美结合[4]。2材料隐身的机理与途径吸波材料吸收雷达波的基本原理是将雷达波转换成其它形式的能量(如热能)消耗掉。在创造高效吸收材料时，必须遵循物理(电动力学)概念、配合寻求最佳混合物的物理化学途径。分析表明采用不均匀的两组分和多组分材料是最有前途的，而材料的组成可根据导体、半导体和介质的电磁性能、物理化学性能来确定。至于材料吸收的电磁能值，则取决于材料的介电常数和磁导率。所谓隐身即为不暴露.目前各国探测目标的手段主要为微波雷达，它利用电磁波在传播过程中遇见介质变化时将在界面感应电磁流，并向四周辐射电磁能的原理，通过分析雷达接收天线截获(或感应)的辐射电磁能，便可判断目标的距离、方位、大小、类型等等.隐身的宗旨就是避免接收天线截获到此辐射能.首先应避免的是产生感应电流，这主要靠材料设计实现；其次是避免天线接收到电磁能的辐射，它主要靠外形设计实现.假设雷达发射的功率为tP，接收的辐射功率为Pr，则有关系式:4322trR4GPP）（（1）式中：G一一天线增益(最大辐射方向的功率与平均值的比值)；一一电磁波波长;R--目标距离;一一雷达散射截面.这里取决干目标特性的只有雷达散射截面，它与目标的大小、电磁特征参数（与形状，波长相关)及反射系数有关，而反射系数取决于界面材料的电性能及雷达波的波长、人射角和人射极化(电场与人射面的关系).对于平面界面，当人射角垂直界面时，垂直极化与平行极化的反射系数相等，即有1212ZZZ-ZR（2）Z1、Z2为两种介质的本征阻抗，由介质的电特性(介电常数)和(导磁率)确定，即111/Z或222/Z由(2)式可得不反射条件为21ZZ或2211(3)由此可见，从目标结构选材方面缩减RCS(）的途径为避免两种介质阻抗的剧烈变化，确保阻抗渐变或匹配，它可通过材料的特殊设计实现，即将材料设计成表面阻抗接近自由空间阻抗，随厚度增加，阻抗渐小.其方法有二:一为采用具有上述电的大小、电磁特征参数(与特征的层板结构;另一方法为在主体材料中加具有相反电特征的物质微粒一一导体加陶瓷等绝缘微粒，而绝缘体加金属微粒，且随厚度不同，微粒的密度不同.另外从能量守恒角度看，电磁波反射减小。折射必增大，如果不将其损耗，当其遇到其它界面(如蒙皮内面或内部结构)时还将反射，损耗的方法为将其转变成其它(如热)能这也得通过特殊材料的特殊设计实现[5]。3实验过程一、原料环氧树脂(E-51，无锡树脂厂；潜伏固化剂(594)，无锡树脂厂；丙酮，燕山石化；酒精，燕山石化；碳纤维；日本东丽公司；玻纤布，南京玻纤院；吸收剂A、吸收剂B，自制。二、实验隐身复合材料体系采用高性能树脂基体浸润玻纤增强体，形成连续相;吸收剂按照设计要求，以一定的浓度和方式分散于玻纤增强体与树脂基体之间，形成非连续相，利用平板硫化机进行模压制样，对多种类型吸收介质的吸波效果进行实验。实验过程中，主要通过控制吸收剂的分散状态和加入量来实现电磁参数的调节，从而实现对雷达波的入射、散射、损耗等。不同浓度吸收剂制得的样板吸波效果不同。通过实验发现，A类吸收剂浓度变化对吸波效果的影响不明显(表1)，B类吸收剂的浓度对吸波性能影响较大(表2)。利用A类吸收剂制作的样板性能稳定(表3)，利用B类吸收剂制作的样板性能不稳定(表4)。同时A类吸收剂易于在纤维布层间分散，其浓度和分散方式可设计性强，能较大范围地调节材料体系的电磁参数。而B类吸收剂的吸波效果、分散工艺、可控性差。利用A类吸收剂制取复合材料体系样板的力学性能数据见表5。通过设计复合材料的表层结构，雷达波的入射率得到有效提高:在材料内部通过改变吸收剂的加入量的变化，使入射到材料体系内部的雷达波逐渐被损耗，实现不同层次的吸收功能、反射功能和散射功能，从总体上提高了复合材料的吸波效果，且性能稳定;其力学性能达到了通用材料的使用要求。三、结果与讨论根据以上实验配方和结构设计结果，在材料体系和成型工艺条件不变的前提下，对所制取样板进行8毫米波、厘米波吸波效果测试(图1、图2）。可以看出，在8毫米波段隐身复合材料体系具有良好的吸波效果，在厘米波段2GHz-8GHz范围吸波效果OdB-8dB，8GHz-18GHz范围吸波效果8dB-12dB。这主要与与吸收剂的加入方式有关。由图中还可以看出，曲线两端均趋于水平，这说明在频带范围之外材料体系仍然具有较好的吸波性能;这对拓展其工作频带具有重要意义。四、评价指标[6]五、结论隐身复合材料板具有良好的雷达波隐身效果，在毫米波段和厘米波段均具有较高的吸波性能.复合材料样板具有较高的强度和模量，具有一定的抗弹性能，与金属材料相比有很好的减重效果，可以作为结构件材料使用[4]。4展望吸波复合材料的研究是国内外隐身技术领域的研究热点。不管是涂敷型吸波复合材料，还是结构型吸波复合材料，均是针对雷达探测系统研制开发的隐身复合材料，这些吸波复合材料主要吸收雷达电磁波。传统的吸波材料主要以强吸收为目标，但存在频带窄、效率低、密度大等缺点，应用范围受到一定的限制。新型的吸波材料要求满足“薄、轻、宽、强”，还满足多频谱兼容、耐高温、耐海洋气候、抗辐射等更高要求。结构型吸波复合材料既能承载，又能吸波，并具有宽频带、高效率的优点，是今后研究的重点。同时反隐身技术的发展促使新兴隐身手段的探索和研究，兼容性吸波复合材料和等离子体隐身技术得到了重视。随着多功能复合吸波材料研究的深入，纳米无机物/聚合物复合体作为一种新型的优秀吸波功能材料必将有更大的发展和应用前景[7]。参考文献：[1]董杰涛.隐身复合材料的研究与展望[J].中国科技财富,2011,19:121.[2]刘俊能.隐身复合材料的发展与应用[A].中国仪器仪表学会仪表材料学会、八六三计划新材料领域功能材料专家组、中国材料研究学会（CMRS）、中国电子学会电子材料学学会、中国金属学会材料科学学会、中国物理学会发光分会、中国光学学会光学材料专业委员会、机电部重庆仪表材料研究所、《功能材料》编辑部.首届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C].中国仪器仪表学会仪表材料学会、八六三计划新材料领域功能材料专家组、中国材料研究学会（CMRS）、中国电子学会电子材料学学会、中国金属学会材料科学学会、中国物理学会发光分会、中国光学学会光学材料专业委员会、机电部重庆仪表材料研究所、《功能材料》编辑部:,1992:2.[3]邢丽英,刘俊能.隐身复合材料的研究与发展[J].航空制造工程,1995,12:3-5+8.[4]赵立军,于名讯.先进隐身复合材料技术研究[A].中国化学会.中国化学会第二届隐身功能材料学术研讨会论文集[C].中国化学会:,2004:4.[5]李萍,陈绍杰,朱珊,鞠树生.隐身复合材料的研究和发展[J].飞机设计,1994,01:29-34+51.[6]陈亮,张伦武,邓爱明,魏文政,谭延江.军用大飞机隐身复合材料设计技术研究[A].中国科学技术协会、河南省人民政府.第十届中国科协年会论文集（三）[C].中国科学技术协会、河南省人民政府:,2008:5.[7]刘献明,付